中樞胰島素信號與β-淀粉樣蛋白穩態研究進展

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(南華大學醫學院生理教研室，湖南 衡陽 421001)

·文獻綜述·

中樞胰島素信號與β-淀粉樣蛋白穩態研究進展

金鑫，田紹文*，侯立力*

(南華大學醫學院生理教研室，湖南 衡陽 421001)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)的主要神經病理特征表現為β-淀粉樣蛋白(Aβ)堆積形成的老年斑和Tau蛋白過度磷酸化形成的神經纖維纏結。臨床研究發現糖尿病患者并發AD的風險顯著增高，提示胰島素信號異常可能是誘發AD的重要機制之一。本文從胰島素信號與Aβ穩態的角度探討了胰島素信號異常在AD發生發展中的作用。

阿爾茨海默病； 胰島素； β-淀粉樣蛋白； Tau蛋白

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是以進行性記憶等認知功能減退為主要特征的神經退行性疾病。隨著全球人口老齡化進程的加速，AD已經成為發病率最頻繁的神經退行性疾病之一，給患者個人、家庭與社會帶來嚴重的經濟和社會負擔[1]。AD的臨床表現通常包括記憶、視覺空間技能和復雜認知的損傷以及進行性全身性適應功能破壞[2]。截至目前，AD發生發展的神經病理機制并未完全闡明，臨床上用于AD治療藥物僅能緩解而不能逆轉或治愈AD癥狀[3]。因此，闡明AD的神經病理機制以尋找新型、有效、低毒的治療藥物一直是一個巨大的挑戰。β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)堆積形成的老年斑和Tau蛋白過度磷酸化形成的神經纖維纏結是AD的主要神經病理特征。近年來，臨床研究發現糖尿病患者并發AD的風險顯著增高，提示胰島素信號異常可能是誘發AD的重要機制之一[4]。本文從胰島素信號與Aβ的角度探討了胰島素信號異常在AD發生發展中的作用。

1 中樞Aβ生理與毒性作用

Aβ是β-淀粉樣前體蛋白(APP)水解產生的多肽，可由低密度脂蛋白受體相關蛋白1運出大腦；Aβ也可在外周合成，通過糖基化終產物相應受體進入中樞。Aβ透過血腦屏障的雙向運輸以及由金屬蛋白酶介導的Aβ清除作用使Aβ維持在一定的濃度范圍內[5]。在一定濃度下可溶性Aβ主要是單體狀態，因此寡聚體主要在局部位置(如細胞膜)和病理條件下產生。在體外，Aβ的多種組裝形式如原纖維、環形結構、小核、淀粉樣派生擴散性配體及球狀體已有研究報道[6]；在體內，研究表明與淀粉樣斑塊相比，可溶性Aβ寡聚體與癡呆的程度關系更為密切。

近年來的研究結果表明，生理濃度的Aβ在神經元突觸傳遞與突觸可塑性調節過程中發揮著重要作用。Kamenetz及其同事首次報道，Aβ在激活的神經元內分泌量增加，并能調節興奮性突觸傳遞[7]；APP裂解酶基因敲除小鼠在Aβ生成降低后出現行為學損傷[8]和突觸功能異常[9]。納摩爾劑量的Aβ能夠增強大鼠海馬的突觸可塑性和記憶能力[10]。急性Aβ處理能可逆增加海馬活性突觸的數量，而持久抑制Aβ清除則導致海馬活性突觸數量的降低[11]，表明Aβ對海馬突觸功能的調節依賴于Aβ生成與清除之間的動態平衡。另一方面，非生理濃度的Aβ可發揮神經毒性作用。研究表明Aβ天然寡聚體處理海馬細胞可阻斷突觸傳遞功能，并快速可逆地干預習得性行為的記憶過程[12]。此外，其它實驗也證實了Aβ寡聚體的神經毒性，如合成或天然Aβ處理細胞，過表達APP培養細胞以及APP轉基因小鼠實驗等[13]。與淀粉樣斑塊相比，可溶性Aβ寡聚體與AD有更緊密的聯系[14]，表明寡聚體是Aβ發揮神經毒性的主要存在形式。上述研究結果表明，Aβ穩態調節在Aβ生理與毒性過程中發揮著關鍵性作用。

2 中樞胰島素信號

研究表明，中樞胰島素信號在神經元存活、突觸形成、神經遞質受體轉運、突觸傳遞及突觸可塑性調節等過程中發揮著重要作用[15]。中樞胰島素主要有兩個來源，一是外周胰腺β細胞合成分泌的胰島素通過血腦屏障轉運至腦內；二是海馬、前額葉及嗅球等部位神經元也能合成分泌胰島素。中樞胰島素受體分布廣泛，如在嚙齒動物的嗅球、大腦皮層、邊緣系統、海馬、下丘腦和小腦中均有胰島素受體表達[16]。與外周胰島素受體不同，中樞胰島素受體分子量較低且具有不同的糖基化位點；此外，胰島素過量并不能引起中樞胰島素受體表達下調，表明中樞與外周胰島素受體表達可能存在不同的調控機制。有研究表明，上述差異可能與胰島素受體mRNA的選擇性剪接及翻譯后修飾有關[17]。胰島素受體基因含22個外顯子，外顯子11的選擇性剪接可產生兩種胰島素受體亞型：A亞型主要分布于造血細胞、胎兒組織和神經組織等；B亞型主要分布于肝臟、脂肪組織和肌肉組織等。A亞型受體與胰島素的結合能力高于B亞型且A亞型受體具有更快的內化和循環能力[18]。

與外周受體相似，中樞胰島素受體也是由兩個胞外α亞基和兩個跨膜β亞基組成的異四聚體。胰島素與α亞基結合后，引起β亞基酪氨酸殘基的自磷酸化，進而誘導特異支架蛋白的募集。胰島素受體招募的主要支架蛋白是胰島素受體底物1/2(IRS-1/2)和Shc。IRS-1/2負責大部分的中樞胰島素和胰島素樣生長因子信號的多種效應，其中IRS-1在大腦皮層和海馬有大量分布，而IRS-2主要分布于弓狀核和海馬部位[19]。研究發現，胰島素可通過誘導IRS-1和IRS-2多處位點的磷酸化實現對下游信號的精細調節。磷酸化修飾的IRS-1/2酪氨酸殘基是調節合成代謝和胰島素促生長功能等相關蛋白的停泊位點；而IRS-1/2的絲氨酸蘇氨酸殘基的磷酸化對胰島素信號通路既有正向和負向的調節作用，也有兩者的結合效應。其中被絲氨酸激酶磷酸化的下游信號通路包括mTOR，S6K及非典型的PKCζ[20]。研究表明能夠激活胰島素受體的蛋白主要誘導PI3K/Akt通路和Ras/ERK通路的信號級聯傳導[21]。PI3K/Akt信號主要參與代謝功能，即脂質和蛋白質的合成。Ras/ERK信號主要介導細胞存活，增值和基因的表達。

3 中樞胰島素信號對Aβ穩態調節

大量動物與臨床研究結果表明，中樞胰島素信號異常是AD病變的一個重要特征之一[15]。中樞胰島素信號異常可在多個環節上影響Aβ的穩態。

3.1胰島素水平與Aβ穩態胰島素能直接參與Aβ代謝和清除進而影響Aβ穩態。研究表明，胰島素降解酶(Insulin Degrading Enzyme，IDE)在胰島素調節Aβ穩態過程中發揮著重要作用。IDE在大腦，肝，腎臟以及肌肉組織均有高水平表達，其表達受胰島素調節；胰島素通過激活PI3K信號通路增加IDE表達水平[22]。IDE主要通過降解Aβ參與Aβ的穩態調節；IDE水平降低可影響Aβ的清除率，進而導致Aβ穩態的失衡。臨床研究發現，AD患者腦組織中IDE的mRNA水平、蛋白含量及活性均顯著下調，提示IDE與AD的發生發展密切相關。動物研究表明，IDE基因敲除小鼠中Aβ水平顯著升高[23]。Tg2576轉基因胰島素抵抗模型小鼠海馬和大腦皮層內IDE水平及活性顯著降低而Aβ水平顯著增加[22]。進一步研究表明，胰島素和胰島素樣生長因子似乎共同參與調節腦內Aβ的水平，而改變其相互作用可能會促進Aβ的寡聚化。胰島素亦可通過PI3K促進APP代謝和增加APP的分泌率。此外，胰島素能夠增加APP/Aβ從反面高爾基網向細胞膜的轉運進而降低Aβ在細胞內的堆積[24]。

3.2胰島素受體水平與Aβ穩態胰島素在其受體水平依舊參與調節Aβ。研究表明AD中的胰島素抵抗是Aβ寡聚物引起的，即Aβ寡聚物下調了神經元膜表面的IRs[25]。另外，激活IR能夠通過IDE促進Aβ寡聚物向Aβ單體轉化[26]。Aβ單體在發育神經元營養不足的情況下能夠促進神經元的存活，并保護成熟神經元對抗興奮性毒性死亡。該兩種效應都是由胰島素受體激活PI3K通路調節。在胰島素所激活的生存信號通路中，如ERK1/2信號通路和PI3K信號通路[27]，Aβ單體特異激活PI3K導致Akt磷酸化和促進Akt底物GSK-3β Ser9位點的磷酸化，從而抑制GSK-3β激活。GSK-3β的抑制能夠通過各種機制促進細胞存活，其機制之一就是下調β-鏈蛋白的降解從而激活保護基因的轉錄，因此神經元中Aβ單體能夠引起β-鏈蛋白快速和大幅度增加[28]。通過抑制GSK-3β，Aβ單體能夠降低Tau蛋白磷酸化水平，該作用與Tau蛋白O-GlcNAc糖基化修飾(O-GlcNAcylation)有關。而O-GlcNAcylation過程依賴糖代謝，腦內糖代謝降低與Tau蛋白病變可能導致了該過程的下降。至于Aβ能否通過神經元的糖供應來增加Tau蛋白O-GlcNAcylation有待進一步研究。

4 AD中Aβ對胰島素信號系統的影響

Aβ本身也可以影響胰島素信號通路。研究證實Aβ多肽能夠降低胰島素結合和受體自磷酸化，表明Aβ是胰島素結合與發揮作用直接的競爭性抑制劑[29]。近期報道體外培養細胞試驗中Aβ能夠通過下調IRs引起胰島素抵抗[30]。這些發現提示Aβ可能在AD患者腦中影響神經元的胰島素信號。Aβ寡聚體處理培養海馬神經元以及側腦室注射Aβ寡聚體，都能在多個絲氨酸殘基位點增加IRS-1的磷酸化[31]。Aβ寡聚體也能結合海馬神經元，移除胞膜表面的IRs，導致IRs的數量下降及其對胰島素的反應降低[32]。研究證實在AD患者腦內，IRs聚集于細胞內，而在正常腦內IRs都分布在神經元胞體和軸突膜上[33]。胰島素處理能夠完全阻斷Aβ寡聚體引起的膜表面IRs受體丟失及隨后的突觸棘減少[34]。Aβ通過損傷ERK和PI3K信號導致胰島素抵抗。Aβ寡聚體與聚和物能夠結合IRS-1導致胰島素信號損傷。胰島素信號損傷通過抑制PI3K/Akt導致Tau蛋白過度磷酸化及增加GSK3β激活。GSK抑制的下降是由于PI3K水平降低可激活GSK3α亞基，并通過γ-分泌酶刺激Aβ的生成。Aβ寡聚物能夠異常激活腫瘤壞死因子-α(TNFα)，mTOR和JNK，進而阻礙胰島素信號IRS-1抑制位點的磷酸化和引起胰島素抵抗[33,35]。AD大腦尸檢分析發現了JNK的升高，IRS-1磷酸化抑制的增加[32]和mTOR的激活[36]。研究顯示在Aβ處理的細胞和人AD大腦中，Aβ激活JNK，導致c-jun磷酸化增加及AP-1的激活[37]。這些細胞信號通路激活后導致IRS-1絲氨酸位點的磷酸化，特別是Ser312和Ser612位點的磷酸化能夠導致下游胰島素信號抑制及胰島素抵抗[31,33]。胰島素抵抗和Aβ堆積兩種之間的相互催化導致了AD的發展。在生理狀態下更好理解胰島素與Aβ間相互連接的分子通路能夠深入闡述病理下AD功能受損的分子通路。

5 結 語

隨著社會步入老齡化期，AD和DM患病率將會持續增長。目前研究已經證實，AD與DM擁有共同的細胞和分子機制。由于胰島素信號參與各種生理和病理性腦功能，因此胰島素信號通路與AD病理的相互作用關系將更顯復雜。進一步研究兩者間的機制將為AD的治療提供新策略及實質性突破。

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10.15972/j.cnki.43-1509/r.2015.05.025

2015-01-13；

2015-06-20

國家自然科學基金項目(81171281) (Project of National Natural Science Foundation of China，81171281).

*通訊作者，E-mail:tsw.neuro@126.com,75194172@qq.com.

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(此文編輯：蔣湘蓮)